刘天西教授团队AEM:锂金属负极表面溴化实现高效循环

锂电联盟会长 2022-12-17 08:06

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【研究背景】

锂金属具有低的还原电位（−3.04 V vs. SHE）和高的理论比容量（3860 mAh g⁻¹），被认为是下一代可充电电池负极的终极选择。然而，由于表面的不可控枝晶生长，锂金属负极的循环效率低、寿命短、安全性差，阻碍了其商业化应用。大量研究表明，具有均匀化学成分和物理结构的固体电解质界面膜（SEI）有望解决这些问题。

【成果简介】

近日，东华大学材料科学与工程学院刘天西、王丽娜团队与复旦大学王永刚及波士顿学院包俊伟团队合作，提出在锂金属表面通过简单化学溴化反应法构筑富溴化锂SEI的策略。LiBr（111）晶面具有较高的Li⁺吸附能（−1.82 eV）和低的Li⁺扩散势垒（0.015 eV），有利于Li⁺的快速传输。电化学测试表明富含LiBr的SEI具有快速的Li⁺转移动力学，能有效抑制锂枝晶的生长，而原位形态观察为循环过程中该电极的无枝晶表面提供了直接证据。在极端温度下的性能测试，以及对酯类、醚类电解液的良好兼容性，为该策略提供了更多的数据支撑。该工作以"Surface Bromination of Lithium-Metal Anode for High Cyclic Efficiency"为题，发表在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上。东华大学材料科学与工程学院硕士研究生姚笑和王进为本文共同第一作者。东华大学为第一单位。

【图文要点】

图1 富LiBr钝化层的制备过程和成分表征。XRD，FTIR，XPS表征表明LiBr为表面主要化学成分。

图2 钝化层的形貌和厚度表征。LiBr@Li电极具有均匀且密集排列的晶体颗粒表面。电极的截面SEM结合EDS分析证实富LiBr层的厚度约为2 µm。

图3 LiBr@Li||LiBr@Li对称电池的电化学性能。对称电池测试显示，LiBr@Li电极具有稳定的循环性能及快速的Li⁺转移动力学。

图4 低温性能测试。LiBr@Li电极在15°C至−30°C范围内表现出更稳定的电压分布和更低的过电位。

图5 锂沉积/剥离原位形态观察，及锂沉积后的SEM表征以及循环前后的SEI成分变化。原位形态学表征证明溴化处理后的锂电极具有明显的锂枝晶抑制能力，XRD表征说明LiBr在电池循环前后都是SEI的主要组成成分。

图6 LiBr各晶面的吸附能及扩散势垒的计算。LiBr（111）/（110）晶面具有较易吸附Li⁺，且Li⁺在这些晶面的扩散势垒较低，有利于其快速迁移。

图7 LiBr@Li||LFP电池的电化学性能。

【总结】

综上所述，本文通过一种简单直接的化学反应法在锂金属表面构筑了一层富含LiBr的钝化膜，实现了Li⁺在SEI中的快速迁移。无论使用醚类或酯类电解质，都能实现稳定的高循环效率，本工作为锂金属界面工程提供了有益的参考借鉴。

Xiao Yao, Jin Wang, Shiru Lin, Chengzhou Tao, Xuezhi Zhang, Wei Wang, Chengcheng Zhao, Lina Wang,* Junwei Lucas Bao,* Yonggang Wang,* and Tianxi Liu. Surface Bromination of Lithium-Metal Anode for High Cyclic Efficiency. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202203233.

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